(57)【要約】【課題】セラミックス配線基板上に半導体素子等を半田層を介して接合搭載するにあたって、半田層中に大きなＳｎ合金粒の発生を抑制することによって、半導体素子の接合強度の低下等を防止する。【解決手段】セラミック基板の上面に、下地金属層、第１拡散防止層、導体層、第２拡散防止層、Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層と、ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金層、ＳｎまたはＳｎ合金からなる半田層が順次積層された配線層を具備していることを特徴とするセラミックス配線基板。【選択図】  図１
2006286958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の上面に、下地金属層、第１拡散防止層、導体層、第２拡散防止層、Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層と、ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金層、ＳｎまたはＳｎ合金からなる半田層が順次積層された配線層を具備していることを特徴とするセラミックス配線基板。
【請求項２】
前記ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金層の厚さが０．０５μm以上０．５μm以下であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス配線基板。
【請求項３】
前記Ａｕ−Ｓｎ合金がＡｕを６３％以上含有していることを特徴する請求項１または請求項２記載のセラミックス配線基板。
【請求項４】
前記第１拡散防止層および前記第２拡散防止層が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉの少なくとも１種またはそれらを基とする合金からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセラミックス配線基板。
【請求項５】
前記Ｓｎ合金はＳｎ含有量が９０ｗｔ％以上であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセラミックス配線基板。
【請求項６】
前記Ｓｎ合金がＡｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｂｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上を含有するＳｎ合金であることを特徴とする請求項５記載のセラミックス配線基板。
【請求項７】
前記半田層が、組成の異なるＳｎ合金を２層以上を具備したことを特徴とする請求項５または請求項６記載のセラミックス配線基板。
【請求項８】
前記Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層がＴｉ層と、Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層の２層構造であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス配線基板。
【請求項９】
前記半田層を介して半導体素子を搭載したことを特徴とする請求項１乃至請求項８いずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体装置において、
前記半導体素子は光半導体素子であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の搭載基板等として用いられるセラミックス配線基板とそれを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザダイオードやフォトダイオード等の光半導体素子を始めとする各種半導体素子の搭載基板として、窒化アルミニウム基板や窒化ケイ素基板等の絶縁性セラミックス基板が用いられている。セラミック基板を光半導体素子のサブマウント基板等に適用するにあたっては、その表面に真空蒸着法やスパッタ法等のＰＶＤ法、あるいはＣＶＤ法等の薄膜形成技術を適用して配線層を形成している（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図４は従来のセラミック配線基板の構造を示す断面図である。同図において、１は例えば窒化アルミニウム焼結体からなる絶縁性セラミック基板であり、その表面にはＴｉ等からなる下地金属層２とＰｔ等からなる第１の拡散防止層３を介して、Ａｕからなる主導体層４が形成されている。主導体層４の半導体素子との接続部（電極接続部）には、Ｐｔ等からなる第２の拡散防止層５を介して、Ａｕ−Ｓｎ合金等からなる半田層６が形成されている。半田層６の表面は酸化防止のためにＡｕ層７で覆われている場合もある。
【０００４】
なお、図４に示すセラミック配線基板においては、絶縁性セラミック基板１の下面側にも下地金属層２、第１の拡散防止層３、Ａｕ層（主導体層）４を順に積層形成した導体層が設けられている。下面側の導体層は、絶縁性セラミック基板１を外部回路基板上やパッケージ内に配置固定する際の接合用金属層として用いられたり、また接地導体層等として使用される場合もある。
【０００５】
上述した主導体層４と半田層６との間に介在される第２の拡散防止層５は、半導体素子を半田層６のＡｕ−Ｓｎ合金等を介して接合固定する際に、主導体層４のＡｕがＡｕ−Ｓｎ合金等からなる半田層６中に拡散することを防止するものである。これは、主導体層４のＡｕが半田層６のＡｕ−Ｓｎ半田合金中に拡散すると合金組成がＡｕ過多（Ａｕリッチ）となり、融点の上昇を招いてＡｕ−Ｓｎ合金を半田付け温度（加熱温度）で完全溶融させることができず、その結果として接合強度の低下等を招くためである。
【特許文献１】特開2002-252316号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のセラミック配線基板においてはＡｕ−Ｓｎ合金半田の接合温度（半導体素子のマウント時の接合温度）が３００℃以上必要であるため、接合後の冷却過程で半導体素子に熱応力が加わり、例えばレーザダイオードの場合、発光領域のダークリージョンやダークラインが導入され長期信頼性の低下や発光不良等の問題が生じていた。
【０００７】
Ｓｎ合金半田の接合温度を低くするためにＳｎにＴｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉ等を含有したＳｎ系半田を用いることが考えられる。Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉ等の少なくとも１種を含有したＳｎ系半田の接合温度は２５０℃以下と低くなるため、半導体素子接合後の冷却過程での熱応力を小さくすることができる。
しかしながら、前記Ｓｎ系半田は、半導体素子のマウント時の熱によりＴｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉ等とＳｎが反応（合金化）してＳｎ半田層中でＳｎ合金が大きな塊となってしまう。Ｓｎ半田層中にＳｎ合金の大きな塊が存在すると、冷却過程でＳｎとＳｎ合金の熱膨張差からＳｎとＳｎ合金塊の界面にクラックが入り、配線層の電気特性が劣化する。例えば、レーザダイオードをマウントした配線基板の配線層にクラックがあると、レーザダイオードの発光時の熱によりＳｎとＳｎ合金の界面のクラックが進展してしまう（クラックが大きくなる）。クラックが進展すると、配線層の導電性が低下するのでレーザ発光する際のしきい値電流が徐々に上昇し、ついには発光しなくなるという問題を生じていた。
【０００８】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、セラミック配線基板上に半導体素子等を半田層を介して接合搭載するにあたって、Ｓｎ半田層中のＳｎ合金塊の発生を抑制することによって、配線層中のクラック等を防ぐことを可能にしたセラミック配線基板、およびそれを用いた半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のセラミック配線基板は、セラミック基板の上面に、下地金属層、第１拡散防止層、導体層、第２拡散防止層、Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層と、ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金層、ＳｎまたはＳｎ合金からなる半田層が順次積層された配線層を具備していることを特徴とするものである。
また、前記ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金層の厚さが０．０５μm以上０．５μm以下であることが好ましい。また、前記Ａｕ−Ｓｎ合金がＡｕを６３％以上含有していることが好ましい。
また、前記第１拡散防止層および前記第２拡散防止層が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉの少なくとも１種またはそれらを基とする合金からなることが好ましい。
また、前記Ｓｎ合金はＳｎ含有量が９０ｗｔ％以上であることが好ましい。また、前記Ｓｎ合金がＡｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｂｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上を含有するＳｎ合金であることが好ましい。
また、前記半田層が、組成の異なるＳｎ合金を２層以上を具備した構造であることが好ましい。
また、前記Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層がＴｉ層と、Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層の２層構造であることが好ましい。
【００１０】
このような構成を具備するセラミックス配線基板は、前記半田層を介して半導体素子を搭載したことを半導体装置に用いることが可能である。また、前記半導体素子は光半導体素子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のセラミックス配線基板においては、セラミックス基板の上面に、下地金属層、第１拡散防止層、導体層、第２拡散防止層、Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層と、ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金層、ＳｎまたはＳｎ合金からなる半田層が順次積層された配線層を具備しているため、半導体素子との接合性（密着性および接合強度）が良い。従って、信頼性や動作特性等に優れる半導体装置を再現性よく提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて述べるが、それらの図面は図解のみの目的のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定するものではない。
【００１３】
図１は本発明の一実施形態によるセラミック配線基板の要部構成を示す断面図である。
図１に示すセラミック配線基板は、絶縁性基板としてセラミック基板１を有している。セラミック基板１には、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）等を主成分とする窒化物系セラミック（焼結体）、また酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）等を主成分とする酸化物系セラミック（焼結体）が使用される。これらのうち熱伝導性等に優れることから、窒化物系セラミックを適用することが好ましい。また、熱伝導性の点からすると炭化ケイ素（ＳｉＣ）も基板に好適である。なお、炭化ケイ素は半導電性を具備していることから、表面に絶縁膜を施すことにより配線基板として使用可能である。
【００１４】
上述したようなセラミック基板１の主表面上には、例えば真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、レーザデポジション法、イオンビームデポジション法のようなＰＶＤ法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法のようなＣＶＤ法、めっき法等の薄膜形成法または半田材料の塗布等により配線層１２が形成されている。配線層１２は配線部１３と接続部１４とを有している。配線部１３はセラミック基板１上に順に積層形成された下地金属層２、第１の拡散防止層３、導体層４とを有している。また、導体層４はＡｕまたはＡｕ合金からなる層であることが好ましい。
【００１５】
下地金属層２はセラミック基板１と配線層１２との密着性や密着強度の向上等に寄与するものであり、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｃｒ、ＴａおよびＮｉから選ばれる少なくとも1種やこれらを基とする合金が用いられる。これらのうち、セラミック基板１に窒化物系セラミックを適用する場合には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ等の活性金属を適用することが好ましい。下地金属層２の厚さは特に限定されるものではないが、例えば０．１〜０．４μmの範囲とすることが好ましい。
【００１６】
第１の拡散防止層３は、セラミック基板１や下地金属層２と導体層４との間における元素の拡散を防止するものであり、例えばＰｔ、ＰｄおよびＮｉから選ばれる少なくとも1種やこれらを基とする合金が用いられる。第１の拡散防止層３の厚さは、例えば０．０５〜０．４μmの範囲とすることが好ましい。厚さが０．０５μｍ未満では拡散防止効果が十分得られない場合がある。一方、０．４μｍを越えるとそれ以上の拡散防止効果が得られないだけでなくコストアップの要因にもなる。導体層４は配線部１３の主導体層として機能するものであり、その厚さは例えば０．１〜０．３μmの範囲とすることが好ましい。配線部１３は所望の回路形状等に応じた配線パターンを有している。
【００１７】
上述した配線部１３の半導体素子との接続位置には、半田層１０を有する接続部１４が設けられている。接続部１４はセラミック配線基板上に接合搭載される半導体素子の電極と対応する位置に所望の形状で設けられており、配線部１３と半導体素子とを電気的および機械的に接続する機能を有するものである。接続部１４は半導体素子の電極に対応させた形状、例えば矩形や円形等の形状を有しており、その大きさも同様である。このような接続部１４は、配線部１３上の所望の位置に順に積層形成された第２の拡散防止層５、Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８、ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金からなる層９、ＳｎまたはＳｎ合金からなる半田層１０を有している。
【００１８】
半田層１０はＳｎまたはＳｎ合金からなる。このような半田層１０にはＳｎ単体、あるいはＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｓｉ、ＴｉおよびＺｎから選ばれる少なくとも1種を含むＳｎ合金が用いられる。これらのうち、半田層１０は上記したＳｎ合金で構成することが好ましい。Ｓｎ合金中のＳｎ量は組合せて使用する元素の種類等に応じて適宜に選択されるものであり、例えば１５〜９９．９質量％の範囲とすることが好ましい。このようなＳｎ合金（半田合金）の代表例としては、Ａｕ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｓｎ合金等が挙げられ、特にＳｎ量が９０質量％以上のＳｎ合金であることが好ましい。Ｓｎ量が９０質量％以上であると接合温度を２５０℃以下にすることができるので好ましい。半田層１０の厚さは例えば１〜５μmの範囲とすることが好ましい。半田層１０の厚さが１μｍ未満だと半導体素子と接合する際に半導体素子の電極に設けられたＡｕ膜と反応（半田層とＡｕ膜が混合され）し組成ズレが起き易くなる。組成ズレの結果、接合層が硬化し応力が生じて半導体素子（例えばレーザダイオード）にクラックが入る等の不良を引き起こす原因になり易い。一方、５μｍを越えて厚いとそれ以上の接合効果が得られないだけでなく、コストアップの要因になる。
【００１９】
上記した半田層１０は1種類のＳｎ合金により形成したものに限らず、例えば組成が異なる2種類以上のＳｎ合金の積層膜で構成してもよい。この場合、適用するＳｎ合金は構成元素が異なる2種類以上のＳｎ合金に限らず、同一構成元素の組成比を異ならせた2種類以上のＳｎ合金であってもよい。例えば、組成比が異なる2種類以上のＡｕ−Ｓｎ合金、すなわち溶融温度が異なるＡｕ−Ｓｎ合金の積層膜で半田層１０を構成することによって、半田層１０の溶融状態を制御することができる。
【００２０】
また、半田層１０の下層にはＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金からなる層９がある。ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金からなる層９は半田層１０とＴｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８の間に形成される。ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金からなる層９は、半導体素子をマウントする際の加熱により、Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８とＳｎが反応し、Ｓｎ合金の大きな塊が生成されるのを抑制することができる。
ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金からなる層９としては、Ａｕ−Ｓｎ合金層であることが好ましく、さらに好ましくはＡｕを６３質量％以上含有するＡｕ−Ｓｎ合金である。Ａｕが６３質量％以上であるとＴｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種とＳｎの合金からなる大きな塊ができるのを抑制する効果が高くなる。
【００２１】
次に、ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金からなる層９の下には、Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８が存在する。Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８は各元素１種類からなる層であってもよいし、各元素を主成分とする合金層であってもよい。合金としてはＡｇ−Ｃｕ合金、Ａｇ−Ｂｉ合金等が挙げられる。Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８はＳｎと合金化し、接続部１４の融点を下げることができる。接続部１４の融点が下がれば半導体素子のマウント時の加熱温度を２５０℃以下と下げることができるのでマウント時の加熱で発生する熱応力を抑制することができる。Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８の厚さは０．５〜１．５μｍの範囲が好ましい。
【００２２】
また、Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８は、図２に示したようなＴｉ層８−１とＡｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８−２の２層構造であってもよい。また、下層（第２の拡散防止層５側）にＴｉ層８−１、上層（ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金からなる層９側）にＡｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８−２を形成する構成が好ましい。Ｔｉ層８−１は第２の拡散防止層５と濡れ性が良いので接合強度を向上させることができる。
例えば、蒸着やスパッタ法によりＴｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする合金膜を形成する場合、蒸着源（またはスパッタターゲット）として２種を用意した２元蒸着法または予め合金化した蒸着源（または合金ターゲット）を用意する必要がある。しかしながら、Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉから２種以上を含有した合金では、それぞれの元素の蒸着レート（またはスパッタレート）が異なることから目的とする合金組成の合金膜を形成し難い。一方、上記のような２層構造であれば、加熱により溶融混合した際に目的とする合金組成となるような膜厚で形成する方法を用いることができる。この場合、１種の元素の蒸着源（またはスパッタターゲット）を用いて１層ずつ形成する方法により２層構造を形成することができるので製造性が向上する。
【００２３】
また、Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８の下には第２の拡散防止層５が存在する。第２の拡散防止層５は導体層４とＴｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８との間における元素の拡散を防止するものである。材質としては第１の拡散防止層３と同様に、例えばＰｔ、ＰｄおよびＮｉから選ばれる少なくとも1種やこれらを基とする合金が用いられる。第２の拡散防止層３の厚さは、例えば０．０５〜０．４μmの範囲とすることが好ましい。
第２の拡散防止層５は、導体層４としてのＡｕ層と例えばＴｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８を具備する接続部１４との間における元素の拡散を防止するものである。層８中に導体層４のＡｕが拡散すると、マウント時の加熱により層８、層９、層１０が混ざり合った際にＡｕリッチな接続層１３になってしまう。Ａｕリッチな接続層になると接合強度が低下する。
【００２４】
このように、配線層１２として下地金属層２、第１の拡散防止層３、導体層４を具備し、接続部１４として、第２の拡散防止層５、Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８、ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金からなる層９、ＳｎまたはＳｎ合金からなる半田層１０を具備したセラミック配線基板は、半導体素子マウント時に接合部１３中にＳｎとＴｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種からなるＳｎ合金の大きな塊の発生を抑制できる。例えば、ＳｎとＴｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種からなるＳｎ合金の最大径を１．５μｍ以下にすることができる。この結果、接続部１４中にＳｎとＴｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種からなるＳｎ合金の粒が小さく分散した状態となり、ＳｎとＳｎ合金の界面に掛かる応力を小さく分散させることができＳｎとＳｎ合金の界面にクラックが発生し難くなり、半導体素子の接合をより強固なものにすることができる。また、接合が強固になると半導体素子稼動中においても接合部にクラックが生じ難くなる。このため、本発明の半導体装置は信頼性および動作特性が向上したものであると言える。
【００２５】
ここで、図１および図２は配線部１３と接続部１４の横方向のサイズは「配線部１３の幅≧接続部１４の幅」であれば特に問題はなく、それぞれパターン形状に形成されていても良い。また、配線部１３を構成する下地金属層２、第１の拡散防止層３、導体層４の幅方向のサイズも「下地金属層２の幅≧第１の拡散防止層３の幅≧導体層４の幅」の関係であれば問題はない。また、接続部１４の横方向の幅も「第２の拡散防止層５の幅≧Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８の幅≧ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金層９の幅≧ＳｎまたはＳｎ合金半田層１０の幅」の関係であれば問題はない。
【００２６】
また、好ましい形態としては、「導体層４の幅≧第２の拡散防止層５＞Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８の幅≧ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金層９の幅≧ＳｎまたはＳｎ合金半田層１０の幅」が挙げられる。「第２の拡散防止層５＞Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８の幅」であると、半導体素子等の接合時に加熱溶融して半田層１０が濡れ広がった際、半田層１０より幅広の第２の拡散防止層５があれば半田層１０の濡れ広がりを抑制することができる。
言い換えると、半田層１０の濡れ広がり領域をＳｎ合金等に対して濡れ性が低い第２の拡散防止層５上のみとすることができる。これによって、半田層１０の濡れ広がりによる導体層４との反応、それによるＳｎ合金の組成変動および融点の上昇、さらにＳｎ合金の融点上昇に基づく溶融不良（不完全溶融）等を抑制することが可能となる。さらに、半田層１０の濡れ広がり領域を制限することで、半田層１０の高さ変動が抑制されるため、半導体素子等の高さ方向の位置不良等を防ぐことが可能となる。
【００２７】
第２の拡散防止層５の形状は、半田層１０の濡れ広がり領域の拡大抑制効果を得る上で、その外周部が半田層１０の端部から１μm以上１００μm以下の範囲ではみ出していることが好ましい。第２の拡散防止層５の半田層１０の端部からのはみ出し量が1μmより小さいと、半田層１０が溶融した際に第２の拡散防止層５を超えて濡れ広がるおそれがある。なお、はみ出し量が100μmを超えても濡れ広がりの抑制効果は変わらないが、第２の拡散防止層５の幅を無駄に広くすることになるため、配線や電極の高密度化等を妨げるおそれがある。第２の拡散防止層５のはみ出し量は、半田層１０の高さと同等もくしはそれ以上とすることがより好ましい。また、接続部１４の形成密度等を考慮すると、第２の拡散防止層１０のはみ出し量は５０μm以下とすることがより好ましい。
【００２８】
また、実施の形態としては図３に示したようにＳｎまたはＳｎ合金からなる半田層１０上にＡｕ層１１を設けても良い。Ａｕ層１１はＳｎまたはＳｎ合金からなる半田層１０の酸化を防止することができる。
【００２９】
次に、本発明の一実施形態による半導体装置について、図５を参照して説明する。図５は本発明の半導体装置を適用したレーザ装置の一構成例を示している。図５において、３０は２波長型レーザダイオードである。すなわち、２波長型レーザダイオード３０は例えば発光波長が650nmの第１の発光素子部３１と発光波長が780nmの第２の発光素子部３２とを有している。これら第１および第２の発光素子部３１、３２は、それぞれ半導体層等をＧａＡｓ基板３３上に結晶成長させることで形成されている。第１および第２の発光素子部３１、３２は、それぞれ個別に電極３４、３５を有している。また、ＧａＡｓ基板３３の裏面側には共通電極３６が形成されている。
【００３０】
このような２波長型レーザダイオード３０は、前述した実施形態のセラミック配線基板１０上に接合搭載されている。セラミック配線基板２０は第１の配線層１２Ａと第２の配線層１２Ｂとを備えており、それぞれ配線部１３と接続部１４とを有している。第１の配線層１２Ａの接続部１４には第１の発光素子部３１の電極３４が接合されており、第２の配線層１２Ｂの接続部１４には第２の発光素子部３２の電極３５が接合されている。これらによって、本発明の半導体装置を適用したレーザ装置が構成されている。
【００３１】
上述した実施形態のレーザ装置（半導体装置）では、セラミック配線基板２０上にレーザダイオード３０を接合搭載するにあたって、接続部１４中に大きなＳｎ合金塊の発生を抑制することができる。これらよって、セラミック配線基板２０に対してレーザダイオード３０を強固に接合することが可能になると共に、接続部１４の抵抗増大およびそれに基づくレーザダイオード３０の動作電流の上昇等を防ぐことができる。すなわち、高品質、高信頼性のレーザ装置を再現性よく提供することが可能となる。
【００３２】
なお、図５はセラミック配線基板上に接合搭載する半導体素子としてレーザダイオードを適用した実施形態を示したが、本発明の半導体装置はこれに限定されるものではなく、各種の半導体素子をセラミック配線基板上に接合搭載した半導体装置に適用することができる。また、本発明の半導体装置に適用される半導体素子は限定されるものではないが、特にレーザダイオードやフォトダイオード等の光半導体素子に対して有効である。
製造方法は特に限定されるものではないが、好ましい製法の一例として次のものが挙げられる。
まず、配線層１２を構成する下地金属層２、第１拡散防止層３、導体層４をスパッタ法により順次成膜していく。次に必要に応じ、接続部１４となる部分を開口させてレジストを塗布した後、第２拡散防止層５をスパッタ法により成膜する。
次に、Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８、ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金からなる層９、ＳｎまたはＳｎ合金からなる半田層１０を真空蒸着により順次成膜していく。
また、必要に応じ、ＳｎまたはＳｎ合金からなる半田層１０上にＡｕ層１１を真空蒸着法により形成するものとする。
このようにスパッタ法または真空蒸着法を用いることが好ましい。特にＴｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８、ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金からなる層９、ＳｎまたはＳｎ合金からなる半田層１０は半導体素子マウント時の加熱により溶融混合されて所定組成の半田層を形成する。このとき、各層の厚さが均一でないと溶融混合した際の半田層中の組成にバラツキが生じてしまう。組成のバラツキが生じると、Ｔｉ、Ａｇ等を主成分とする層８の厚い部分では大きなＳｎ合金粒ができ易くなってしまう。
また、半導体素子をマウントする際、本発明のセラミック配線基板はＴｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８を設けていることから、ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金からなる層９、ＳｎまたはＳｎ合金からなる半田層１０を設けているにも関わらず、接合温度を３００℃以下、さらには２５０℃以下と低くすることができる。
【実施例】
【００３３】
次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。
【００３４】
実施例１〜１３
まず、セラミック基板１として直径75mm×高さ0.2mmの窒化アルミニウム質焼結体製基板を用意した。この窒化アルミニウム基板１を洗浄した後、スパッタ法により厚さ0.1μmのＴｉ膜から下地金属層２、厚さ0.2μmのＰｔ膜からなる第１の拡散防止層３、導体層４として厚さ0.5μmのＡｕ層を順に積層した。
【００３５】
次いで、導体層４上に、1mm×0.5mmの矩形の開口部を有するレジストを形成した後、スパッタ法により厚さ0.2μmのＰｔ膜からなる第２の拡散防止層５を積層形成した。
第２の拡散防止層５の上面に、真空蒸着法により表１に示したＴｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８、ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金層９、ＳｎまたはＳｎ合金半田層１０を形成した。このような各試料を2mm×2mmとなるようにダイシングした後、それぞれ後述する特性評価に供した。
【００３６】
比較例１〜３
ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金層９の形成を省略する以外は、上記した実施例１〜１３と同様にして試料を作製し、後述する特性評価に供した。
上述した実施例１〜１３および比較例１〜３の各セラミック配線基板（表１に構成を示す各試料）について、接続層１３中のＳｎ合金粒の最大径、半導体素子との密着性および接合強度（シェア強度）を以下のようにして測定、評価した。
【００３７】
［接続部１４中のＳｎ合金粒の最大径］
半導体素子接合後の接続部１４の断面をＳＥＭにより拡大写真を取り、そこに写ったＳｎ合金粒の最も長い対角線を最大径とした。なお、拡大写真は５０μｍ×５０μｍを３箇所測定した。
［半導体素子との密着性］
各例の配線基板上にＳｉチップを搭載した後、Ｓｉチップの横方向から荷重を加えるシェアテストを行った。シェアテストは各例に対して6個ずつ実施した。シェアテストにおいて、密着性が良好な場合はＳｉチップ内部での破壊モードを示す。この際、Ｓｉの破壊強度は材料強度によるので、シェア強度の数値はばらつきが大きいものとなる。そこで、密着性の判断は一定強度（当該サイズでは1200kgf）以上の値でＳｉ破壊モードを示す場合に密着性良好と判断し、全ての試料が良好なものを○、3〜5個の試料が良好なものを△、良好な試料が2個以下の場合を×とした。シェア強度の平均値と併せて評価結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】
2006286958.tif 000003
【００３９】
表１から分かる通り、本実施例にかかるセラミック配線基板は半導体素子との密着性も良好で、かつ接合強度（シェア強度）も高いことが分かった。
一方、比較例のものはＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金からなる層９がないので密着性および接合強度が共に悪い値であった。
【００４０】
実施例１４〜１６
実施例１のセラミックス配線基板に対して、第２の拡散防止層５の幅（ａ）とＴｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層８の幅（ｂ）の関係を、（ａ）＝（ｂ）を実施例１４、（ａ）−（ｂ）＝１０μｍを実施例１５、（ａ）−（ｂ）＝４０μｍを実施例１６とした。
各実施例に係るセラミックス配線基板おいて、半田層の濡れ広がり性試験を行った。試験としては、半導体素子は載せずに各セラミックス配線基板を２５０℃×３０秒加熱した後、金属顕微鏡（１００倍）で半田層の濡れ広がり状態を確認した。
その際、最初の状態から比較して、実施例１４は５０μｍ、実施例１５および実施例１６は共に２μｍであった。
濡れ広がり状態が小さければ、半導体素子を搭載した際の高さ不良等の接続不良がおき難くなる。また、実施例１５および実施例１６の結果から（ａ）−（ｂ）は１０μｍ以上あれば十分であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態によるセラミック配線基板の要部構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すセラミック配線基板の変形例を示す断面図である。
【図３】図１に示すセラミック配線基板の変形例を示す断面図である。
【図４】従来のセラミック配線基板の要部構成を示す断面図である。
【図５】本発明の半導体装置の一実施形態としてのレーザ装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…セラミック基板
２…下地金属層
３…第１の拡散防止層
４…導体層
５…第２の拡散防止層
６…半田層
７…酸化防止層
８…Ｔｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層
８−１…Ｔｉ層
８−２…Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉの少なくとも１種を主成分とする層
９…ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎ合金からなる層
１０…ＳｎまたはＳｎ合金からなる半田層
１１…Ａｕ層
１２…配線層
１３…配線部
１４…接続部
２０…セラミックス配線基板
３０…レーザダイオード
３１，３２…発光素子部
３４，３５…個別電極
３６…共通電極
【図１】
2006286958.tif 000004
【図２】
2006286958.tif 000005
【図３】
2006286958.tif 000006
【図４】
2006286958.tif 000007
【図５】
2006286958.tif 000008